發(fā)條彈簧類型構(gòu)及應(yīng)用與彈簧材料的發(fā)展歷程

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作者：jcspring 更新時(shí)間：2019-08-29 13:51:52 字體：【小中大】

發(fā)條彈簧的類型結(jié)構(gòu)及應(yīng)用：

發(fā)條彈簧是用帶料繞成平面蝸卷形的彈簧。該類彈簧工作時(shí)，彈簧的一端固定，另一端施加轉(zhuǎn)矩，帶料各截面承受彎曲力矩而產(chǎn)生彎曲彈性變形，形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，借以儲(chǔ)存能量。其變形角的大小和施加的轉(zhuǎn)矩成正比。

當(dāng)外界對(duì)發(fā)條彈簧做功（即施加力矩上緊發(fā)條）后，這部分的功就轉(zhuǎn)換為彈性變形能。當(dāng)發(fā)條工作時(shí)，發(fā)條的變形能又逐漸釋放，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)而做功。

發(fā)條彈簧在自由狀態(tài)時(shí)占有相當(dāng)大的體積，常常是它在軸上完全上緊時(shí)所占體積的10倍甚至更大些。所以在使用發(fā)條時(shí)，通常將它安裝在發(fā)條盒內(nèi)，使帶有發(fā)條的彈簧的儀器儀表結(jié)構(gòu)能夠獲得小的外形尺寸。此外，利用發(fā)條彈簧還可以使發(fā)條彈簧具有比較完善的外端固定方法，以改善其工作狀況，同時(shí)還便于保存潤(rùn)滑油。

發(fā)條彈簧工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單，防潮、防爆，廣泛應(yīng)用于計(jì)時(shí)儀器和時(shí)空裝置中，如鐘表、記錄儀器、加用電器等，也廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)玩具中作為動(dòng)力源。

隨著彈簧應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)彈簧材料提出了更多的要求。主要是在高應(yīng)力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面；其次是根據(jù)不同的用途，要求具有耐蝕性、非磁性、導(dǎo)電性、耐磨性、耐熱性等方面。為此，彈簧材料除開(kāi)發(fā)了新品種外，另從嚴(yán)格控制化學(xué)成分，降低非金屬夾雜，提高表面質(zhì)量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。

（1）彈簧鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展

為了提高彈簧鋼的質(zhì)量，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已普通采用爐外精煉技術(shù)、連鑄工藝、新型軋制和在線自動(dòng)檢測(cè)及控制設(shè)備等。

為了保證鋼的化學(xué)成分，降低氣體和各種非金屬加夾物的含量，采用大容量電爐或轉(zhuǎn)爐熔煉，采用爐外鋼包精煉，使氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降至（0.0021～0.0010）%，生產(chǎn)出超純凈鋼，從而大大提高了彈簧的設(shè)計(jì)和工作應(yīng)力。

連鑄生產(chǎn)工藝在彈簧鋼生產(chǎn)中已被廣泛采用。連鑄可通過(guò)電磁攪拌、低溫鑄造等技術(shù)減小鋼的偏析，減小二次氧化，改善表面脫碳，使組織和性能穩(wěn)定、均勻。

采用分列式全連續(xù)軋機(jī)，可提高尺寸精度，表面質(zhì)量，同時(shí)也可使鋼材沿長(zhǎng)度顯微組織均勻。在軋制過(guò)程中為了保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量采用在線自動(dòng)檢測(cè)和控制。為了適合變截面彈簧扁鋼生產(chǎn)而開(kāi)發(fā)了奧氏體軋制成形新工藝，即先將鋼加熱到奧氏體區(qū)再急冷至亞穩(wěn)奧氏體區(qū)進(jìn)行塑性加工并淬火處理。這種工藝可使鋼在不降低塑性的同時(shí)提高強(qiáng)度。此外還有通過(guò)軋后在線熱處理和表面硬化處理來(lái)提高彈簧鋼的性能等。
（2）合金鋼的發(fā)展

合金元素的主要作用是提高力學(xué)性能，改善工藝性能及賦予某種特殊性能。氣門(mén)彈簧和懸架彈簧已廣泛應(yīng)用SiCr鋼。Si是抗應(yīng)力松弛最好的合金元素，在SiCr鋼中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo鋼，可以提高疲勞壽命和抗松弛性能。同時(shí)SiCr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時(shí)的抗松弛性能，比琴鋼絲和重要用途碳素彈簧鋼絲要好。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高速小型化，抗顫振性能好、質(zhì)量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)度可達(dá)2000MPa。

（3）低碳奧氏體鋼的發(fā)展

低碳奧氏體鋼38SiMnB是我國(guó)自主研發(fā)的一種新型的高性能彈簧鋼，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的38SiMnVBE更具優(yōu)越性，具有高強(qiáng)韌性、高淬透性、高應(yīng)用性和高性能比。在進(jìn)行超細(xì)晶粒控制軋制后，其抗拉強(qiáng)度 =（2030～2140）MPa，屈服強(qiáng)度 =（900～2010）MPa，伸長(zhǎng)率 =（12～15）%，面縮率 =（48～55）%。為少片變截面板彈簧提供了高性能的材料。

（4）不銹鋼的發(fā)展
我國(guó)是生產(chǎn)不銹鋼的大國(guó)，隨著不銹鋼的生產(chǎn)發(fā)展，自然也開(kāi)發(fā)了不少品種，目前已達(dá)50多種，，基本滿足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)發(fā)展的需要，對(duì)當(dāng)前開(kāi)發(fā)的一些新品種作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1）奧氏體不銹鋼體系的初步形成。為了消除碳元素造成的不銹鋼晶界腐蝕疲勞，開(kāi)發(fā)出低碳奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。為了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。

2）含氮不銹鋼的發(fā)展。在不銹鋼中以氮代碳取得了成果。在奧氏體不銹鋼中N和C有許多共同特性。N穩(wěn)定奧氏體的作用比Ni大，與C相當(dāng)。N與Mn結(jié)合能取代比較貴的Ni。

在奧氏體中N也是最有效的固溶強(qiáng)化元素之一。N與Cr的親和力要比C與Cr的親和力小，奧氏體鋼很少見(jiàn)到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蝕性能的基礎(chǔ)上，提高不銹鋼強(qiáng)度。

3）超強(qiáng)鐵素體不銹鋼的發(fā)展。鐵素體不銹鋼具有良好的腐蝕性能和抗氧化性能，其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼。價(jià)格比奧氏體不銹鋼便宜。但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點(diǎn)，生產(chǎn)和使用受到限制。通過(guò)降低鋼中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等穩(wěn)定化元素，添加Cu、AI、V等焊縫金屬韌化元素三種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。

4）超級(jí)奧氏體鋼的發(fā)展。超級(jí)奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規(guī)不銹鋼的奧氏體鋼。其中比較著名的是含6% Mo的鋼（245SMo）。這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速?zèng)_刷條件下，有良好的抗點(diǎn)蝕性能（PI 40）和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。

5）超馬氏體不銹鋼的發(fā)展。傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過(guò)程中對(duì)應(yīng)力十分敏感，冷加工成形比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用范圍受到限制。為克服馬氏體鋼的上述不足，近來(lái)已找到一種有效途徑，就是通過(guò)降低鋼的C、Ti含量，增加Ni含量，開(kāi)發(fā)一個(gè)新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強(qiáng)度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。

（5）彈簧鋼絲的發(fā)展

彈簧鋼絲經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，工藝技術(shù)經(jīng)歷了由鉛淬火到油淬火，現(xiàn)又發(fā)展到感應(yīng)加熱淬火。再加上工藝技術(shù)裝備不斷創(chuàng)新和完善，品種質(zhì)量不斷更新。近來(lái)開(kāi)發(fā)的閥門(mén)用彈簧鋼絲感應(yīng)加熱淬火和回火處理工藝，試驗(yàn)證明，由于感應(yīng)加熱時(shí)間短，淬火組織細(xì)小，鋼絲表面幾乎沒(méi)有脫碳層，所以其塑性、韌性、抗松弛性、斷裂韌性、延遲斷裂抗力、疲勞壽命等都比油淬火回火鋼絲有較大提高。

另一種研究取得成效的超細(xì)晶粒形變熱處理鋼絲已能實(shí)地應(yīng)用，超細(xì)晶粒形變熱處理是組織超細(xì)化與形變熱處理相結(jié)合的一種復(fù)合強(qiáng)韌化工藝。它既可提高鋼絲的力學(xué)性能，同時(shí)又能改善鋼絲的表面質(zhì)量。材料表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能影響很大。為了保證表面質(zhì)量，對(duì)有特殊要求的材料采用剝皮工藝，將表層去掉0.1mm。對(duì)0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對(duì)拔絲過(guò)程表面產(chǎn)生的凹凸不平，可用電解研磨，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。

（6）不銹鋼絲的發(fā)展

近年來(lái)國(guó)外不銹彈簧鋼絲生產(chǎn)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)需求量增大的品種主要為1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。

先進(jìn)的鋼絲生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)是盤(pán)條首先剝皮處理，去除熱加工在表面造成的缺陷，除第一次固溶處理后要進(jìn)行酸洗外，整個(gè)冷加工過(guò)程均保持光亮表面。

隨著工藝的發(fā)展，不繡鋼絲生產(chǎn)流程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將部分原屬金屬制品行業(yè)質(zhì)量控制簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)換為對(duì)盤(pán)條質(zhì)量的要求。在粗拉絲機(jī)后，應(yīng)用清潔球擦拭和水中清洗，去除表面涂層和殘余潤(rùn)滑膜。在光亮熱處理前配備電解酸洗、堿中和、水沖洗和烘干裝置，徹底去除鋼絲表面油污，改善表面質(zhì)量。

（7）形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)

目前在彈簧方面有應(yīng)用前途的單向形狀記憶合金，以50Ti和50Ni性能最好。形狀記憶合金制成的彈簧，受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統(tǒng)中。由于是靠彈簧伸縮推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以彈簧的工作應(yīng)力變化較大。

（8）陶瓷的應(yīng)用

陶瓷的彈性模量高，斷裂強(qiáng)度低，適用于變形不大的地方。目前正在開(kāi)發(fā)的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷，應(yīng)用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強(qiáng)度。另外，還有高強(qiáng)度的氮化硅，能耐高溫，可達(dá)1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。

（9）纖維增強(qiáng)塑料在彈簧中應(yīng)用

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等國(guó)已廣泛應(yīng)用，除用于橫置懸架外，還可用于特殊輕型車輛，如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%。